智能登山裝備

孫鵬　林運郴　李健　祝寶成

摘 要：長期以來，登山都是一項十分危險的運動，我們這個項目的課題主要在于如何提高人們在極端環(huán)境下的生存能力，增強對嚴(yán)寒環(huán)境的抵抗能力，能讓遇險的人自救或者能夠堅持到救援的到來。

關(guān)鍵詞：石墨烯發(fā)熱膜；心率檢測；GPS；GPRS；WBEE通信通信技術(shù)

中圖分類號：TS66 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0081-02

Abstract： For a long time， mountaineering has been a very dangerous sport. The main task of our project is how to improve people's ability to survive in extreme environments and increase their resistance to cold conditions， so as to allow a person in distress to save himself or to persevere until the rescue arrives.

Keywords： graphene fever membrane； heart rate detection； GPS； GPRS； WBEE communication technology

1 項目實施的目的、意義

隨著人們對身體健康的愈加關(guān)注和重視，戶外登山運動成為了許多運動愛好者的選擇。登山運動不僅可以鍛煉人的身體，還可以增強人的耐力和意志。人們在登山的過程中不僅欣賞美麗的風(fēng)景，感受大自然的神秘，還從中收獲了健康、和諧和樂趣。

但在登山的過程中，可能會遇到如惡劣天氣等自然界非預(yù)期的變化，為了保障登山愛好者的人身安全，同時減輕登山愛好者在登山時的負(fù)擔(dān)，以及在發(fā)生事故后能夠及時定位通信實施救援，因此我們提出了“智能登山裝備”這個項目。智能登山裝備為登山愛好者提供了極大的便利和安全保障，登山裝備可以適應(yīng)山區(qū)各種惡劣的環(huán)境，隨時監(jiān)控登山人員的健康狀況，發(fā)生事故時準(zhǔn)確定位和通信等，在一定程度上保證了登山人員的安全。

2 登山裝備的關(guān)鍵組成和擬解決的關(guān)鍵問題

2.1 關(guān)鍵部分的相關(guān)設(shè)計

2.1.1 自加熱防護服

（1）加熱功能；（2）外界氣溫檢測

背景：登山人員在山區(qū)長途跋涉，隨著海拔高度不同、氣候多變，溫差較大，通過氣溫檢測，防護服可隨時自動調(diào)節(jié)溫度，保證登山人員在低氣溫的環(huán)境下正?；顒印?/p>

2.1.2 人體健康狀況監(jiān)測

（1）心率、血氧檢測；（2）血壓檢測；（3）體溫檢測

背景：保證登山人員在長時間的運動過程中，時刻了解自己的身體狀況，設(shè)定健康范圍值，通過檢測發(fā)現(xiàn)超過范圍值后報警，讓登山人員能及時休息調(diào)整狀態(tài)。

2.1.3 氣壓、海拔計

（1）氣壓計；（2）高度/海拔計

背景：通過氣壓和海拔的檢測，讓登山人員及時了解身邊環(huán)境，做出相應(yīng)防范。

2.1.4 定位/求救系統(tǒng)

（1）GPS定位；（2）WBEE通信；（3）聯(lián)網(wǎng)功能

背景：通過GPS定位，登山人員可知道自己身處何處，通過WBEE通信功能可使登山人員和隊友之間隨時保持聯(lián)絡(luò)，一但有人掉隊，立即就能被發(fā)現(xiàn)。一旦出現(xiàn)危險和事故，聯(lián)網(wǎng)功能可報警尋求救援。這是為登山人員設(shè)計的安全保障系統(tǒng)。

2.2 擬解決的關(guān)鍵問題

2.2.1 登山服太過沉重，臃腫，穿戴起來影響行動

傳統(tǒng)登山服又稱為“沖鋒衣”，通常指硬殼（hardshelljacket），相當(dāng)于戶外的鎧甲，防御能力強，但是穿上之后感覺較硬，舒適性較差，而且在登山時，為了御寒，除了登山服還要在里面套上兩道三層的棉衣或者保暖的衣服，既影響行動又增加了負(fù)擔(dān)。

為了解決這個問題，我們在設(shè)計時對防護服的外層使用了品牌登山服的面料——ePTFE復(fù)膜的微孔型面料，目前國內(nèi)多是GORE-TEX、DENTIK、EVENT、3TO1-TEX這幾種。它防水透氣的功能是在服裝的外面料上復(fù)合一層微孔薄膜，其中的微孔比水滴分子小，又比氣體分子大，可以在阻擋雨水的同時揮發(fā)自身的汗氣。防護服內(nèi)置加熱層采用石墨烯發(fā)熱膜，既保證了服裝的輕薄，又能完美的解決在戶外低溫環(huán)境下的御寒問題，在減輕登山隊員負(fù)重的同時也更加便于活動。

2.2.2 高海拔，低氣壓，低氣溫威脅登山隊員的健康

登山的環(huán)境無一例外是在高海拔地區(qū)，人體在高原地區(qū)會發(fā)生高原反應(yīng)，高原反應(yīng)是人體急進暴露于低壓低氧環(huán)境后產(chǎn)生的各種病理性反應(yīng)，是高原地區(qū)獨有的常見病。常見的癥狀有頭痛，失眠，食欲減退，疲倦，呼吸困難等。

在我們的登山裝備上裝有心率和血氧檢測模塊，當(dāng)心率、血氧表現(xiàn)異常于平均水平時，我們的設(shè)備會及時的發(fā)出警報，提示使用者需要及時吸氧或者需要及時就醫(yī)，在血氧含量很低的時候，人的大腦往往會發(fā)出錯誤的指令，有人說這時人的判斷力還不如一個十幾歲的小孩，這也是登山人員遇難的原因之一。

2.2.3 在惡劣環(huán)境下隊員容易走失

在登山過程中，遇上雪崩、風(fēng)暴等惡劣環(huán)境的時候，會瞬間擾亂人們的感知，影響判斷力，為了避免相互走散，有些登山隊會在每人身上都系上繩子。為了避免相互走散這種情況的發(fā)生，我們在每個登山服上都裝上了GPS定位系統(tǒng)和基于WBEE通信技術(shù)的通信系統(tǒng)，通過GPS獲取位置信息，并且在WBEE局域網(wǎng)絡(luò)上傳輸位置信息，并且保存最后一次通信的位置信息，即使走失，在其他隊員返回營地之后可以盡快聯(lián)系救援。

2.2.4 發(fā)生事故及時報警

我們在登山服上加載了GPRS模塊，雖然網(wǎng)絡(luò)不可能覆蓋到每個高山，但是，我們?nèi)匀槐в邢Ｍ?，在有信號的情況下，盡可能的將完整的求救信息發(fā)送出去，給走失的人最大的求生希望。

2.2.5 技術(shù)詳細(xì)

（1）石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。發(fā)熱膜是一種現(xiàn)代采暖保溫新材料，優(yōu)點很多，電熱轉(zhuǎn)換效率高，電磁輻射小且對人體無危害，有效發(fā)熱面積大，熱均勻性和熱舒適性好，性能穩(wěn)定功率變化小使用壽命長，厚度薄柔性好幾乎不占用空間。石墨烯發(fā)熱薄膜技術(shù)上將更進一步，直接發(fā)熱省去了過去內(nèi)置發(fā)熱元器件。

（2）MS5611-01BA03是由MEAS公司在瑞士分公司（原intersema廠家）設(shè)計并生產(chǎn)的新一代高分辨率的測高傳感器，它提供SPI接口和I2C總線兩種接口。10cm的高分辨率使得它更適合于高度測量和氣壓測量。該傳感器模塊包括一個高線性壓力傳感器和一個24位低功耗的AD轉(zhuǎn)換器，傳感器內(nèi)部包含有工廠校準(zhǔn)系數(shù)。它提供了一個精確的24位壓力和溫度值。不同的操作模式，允許用戶優(yōu)化轉(zhuǎn)換速度和電流消耗。該傳感器在測量氣壓的同時具有溫度測量的功能。

（3）OSRAM在穿戴設(shè)備領(lǐng)域推出首款基于運動和健康監(jiān)控應(yīng)用的整合型光感測器SFH7050。尺寸僅4.7mm*2.5mm*0.9mm，只需極小的功率和空間，因此非常適用于可穿戴設(shè)備。SFH7050集成了綠光、紅光、紅外三顆LED和一顆光電接收管。采用OSRAM專利Thin Firm技術(shù)的LED，光效高，可以在低功耗下運行；廣電接收管具有高的光敏感度，可以進行精確的信號采集，為心率和血氧值的計算提供可靠信號源；另外紅外LED與光電接收管可實現(xiàn)接近感測功能。

（4）GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

（5）WBEE（wireless Bee）即無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是一款類似于zigbee產(chǎn)品。是一款小數(shù)據(jù)量，短距離，自組網(wǎng)，低復(fù)雜度，無線傳輸設(shè)備。同時它還加載了采集數(shù)據(jù)單元并采用了433MHz的全球免授權(quán)頻段代替2.4G頻段大大增加了傳輸距離，WBEE采用低頻段，長波長，而zigbee采用的是高頻段，短波長。長波長比短波長的優(yōu)勢就在于它的衍射能力強，所以使用WBEE通信的時候?qū)φ系K物的影響較小，傳輸距離更遠(yuǎn)，效果更好，最大可視直線距離≤4km。另外WBEE采用的是6LOWPAN的方案開發(fā)，可以支持IPV6，對節(jié)點數(shù)量沒有限制。

（6）GPRS DTU內(nèi)部封裝了完善的TCP/IP等協(xié)議棧，可為無線傳輸傳輸提供透明的TCP/IP通道。主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，而GPRSmodem通常要完成類似的功能必須借助于PC機的軟件和硬件資源，如CPU、Memory和TCP/IP協(xié)議棧等，所以我們經(jīng)?？梢钥吹絇C接一個無線的Modem來連接到外部的數(shù)據(jù)網(wǎng)。采用了GPRS的微控制器系統(tǒng)可以實現(xiàn)無線數(shù)傳輸領(lǐng)域的復(fù)雜應(yīng)用，在遠(yuǎn)程抄表、工業(yè)控制、遙感＼測、智能交通領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

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